DE19944946A1 - Anlage zum Ausgleich des Ladedrucks bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage insbesondere zur Versorgung von turboaufgeledenen Verbrennungsmotoren mit Durckluft, um das Betriebsverhalten außerhalb des optimalen Betriebsbereiches des Turboladers zu verbessern. Die Anlage besteht vorzugsweise aus einem Druckbehälter, einem Kompressor und einem Ventil. Der Druckbehälter wird kontinuierlich mit komprimierter Luft versorgt. Reicht der vom Turbolader gelieferte Ladedruck nicht aus, wird das Ventil geöffnet und komprimierte Luft aus dem Behälter in die Zylinder geleitet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Druckerzeugung, welche mittels eines Ventils in der Lage ist, ein komprimiertes Gas, vorzugsweise Luft, aus einem Druckgefäß zu dosieren. Das Druckgefäß wir seinerseits durch einen Kompressor mit Druck beaufschlagt. Der Einsatzzweck eines solchen Systems ist insbesondere die Aufladung von turboaufgeladenen Verbrennungsmotoren außerhalb des optimalen Arbeitsbereichs des Turboladers.

Gerade moderne Dieselmotoren arbeiten im Zuge wachsender Rentabilität heute vorzugsweise mit Aufladung. Dies bedeutet, daß auf der Ansaugseite über den Umgebungsdruck hinaus komprimiertes Gas zur Verfügung gestellt wird. Dadurch gelangt während des Ansaugens eine größere Menge Gas in den Brennraum, als dies bei Betrieb ohne Druckversorgung möglich ist. Bei Benzinmotoren wird ebenfalls das Prinzip der Aufladung verwendet. Eine bevorzugte Ausführungsform einer Anlage zur Druckbeaufschlagung der Ansaugluft ist der Turbolader. Hierbei befindet sich zunächst eine Turbine im Abgassystem des Verbrennungsmotors. Durch das aus dem Brennraum ausströmende Abgas erzeugt die Turbine ein Drehmoment. Durch die Turbine wird wiederum ein fest an die Turbine gekoppelter Kompressor angetrieben. Der durch den Kompressor erzeugte Druck steht dann auf der Ansaugseite zur Verfügung, um die Füllung der Brennräume zu verbessern. Eine weitere Möglichkeit, den benötigten Druck zu erzeugen, ist die Verwendung eines Kompressors. Hierbei wird das Drehmoment nicht durch eine im Abgastrakt befindliche Turbine erzeugt, sondern direkt an der Kurbelwelle oder einer anderen fest gekoppelten Welle abgegriffen. Die zur Verfügung gestellte Ladeleistung ist im Falle der Verwendung eines Kompressors abhängig von der jeweiligen Motordrehzahl. Bei Verwendung eines Turboladers besteht zusätzlich eine Abhängigkeit von der jeweiligen Last. Die Turbine ist normalerweise auf einen bestimmten Betriebspunkt abgestimmt. An diesem Betriebspunkt liefert der Lader bei dem gewünschten Ladedruck genau die ausreichende Menge Ladeluft, die zur Versorgung der Brennräume nötig ist. Befindet sich der Motor unterhalb dieser Abstimmungsdrehzahl, fördert der Lader eine zu geringe Luftmenge, somit besteht kein optimaler Füllungsgrad. Über der Abstimmungsdrehzahl liefert der Lader einen geringeren Ladedruck, wodurch hier die optimale Füllung verhindert wird. Durch verstellbare Leiträder kann in modernen Turbomotoren eine Anpassung auf einem breiten Drehzahlband erfolgen. Diese Betriebsbereichdehnung kann aber nur in gewissen Grenzen stattfinden. Gerade im unteren Drehzahlbereich, beginnend mit der Leerlaufdrehzahl, ist oftmals keine ausreichende Druckversorgung möglich, erst ab einer gewissen Mindestdrehzahl, etwa bei 150-200% der Leerlaufdrehzahl, wird das maximale Drehmoment erreicht. Wie in US-Pat.: 5,771,868 beschrieben, gibt es Ansätze, in diesen Betriebsbereichen einen durch einen Elektromotor angetriebenen Kompressor zu verwenden, um die Brennräume jederzeit mit ausreichend Ladedruck zu versorgen. Hierzu ist ein sehr starker Elektromotor nötig, da ein schnelles Ansprechverhalten durch die Trägheit der Turbine und des Motors selbst hohe Spitzenleistungen verlangen. Durch die starke und schnelle Kompression des Gases erwärmt sich dieses sehr stark. Um einen hohen Füllungsgrad und günstige thermodynamische Verhältnisse vorzufinden, ist demnach eine Ladeluftkühlung nötig. Die Masse des gesamten Antriebs wird weiterhin durch den leistungsstarken Elektromotor maßgeblich erhöht. Zur Speisung des Elektromotors muß das Bordnetz wesentlich verstärkt werden. Die im PKW und LKW bereitgestellten 12 V bzw. 24 V-Anlagen können die hohen Spitzenleistungen nicht abfangen.

Die Aufgabe der Druckversorgung der Brennräume wird erfindungsgemäß durch einen Druckbehälter (6) und ein Ventil (7) gelöst. Der Druckbehälter (6) wird mittels eines Kompressors (4) mit Druck versorgt. Befindet sich die Verbrennungskraftmaschine (1) in einem Betriebspunkt, in welchem der verwendete Turbolader bzw. Kompressor nicht den ausreichenden Druck bzw. die ausreichende Fördermenge zur Verfügung stellt, wird das an dem erfindungsgemäßen Druckbehälter (6) befindliche Ventil (7) geöffnet. Das im Druckbehälter (6) befindliche Gas strömt aus und versorgt in Ergänzung der durch den Lader geförderten Gasmenge die Brennräume (2). In einer bevorzugten Bauform handelt es sich bei dem Ventil um ein Regelventil. Der Kompressor (4) zur Druckversorgung des Druckbehälters kann in einer bevorzugten Bauform durch einen Elektromotor (3) angetrieben werden. Da der Druck nur stoßweise abgerufen wird und der Kompressor (4) den Druckbehälter (6) kontinuierlich aufladen kann, ist nur eine geringe Spitzenleistung des Kompressors (4) bzw. des Elektromotors (3) notwendig. In einer weiteren bevorzugten Bauform ist der Kompressor an die Kurbelwelle oder ein Nebenaggregat gekoppelt. Verfügt die Anlage bereits über ein Drucksystem, bspw. ein Bremsluftsystem bei LKWs, kann bereits der hier verwendete Kompressor und der Druckbehälter zur Versorgung der Brennräume genutzt werden. Da zur Druckbereitstellung keine Massen beschleunigt werden und das komprimierte Gas in einem Druckspeicher zur Verfügung steht, ist ein sehr schnelles Ansprechen zu erwarten. Weiterhin kühlt sich das aus dem Druckgefäß kommende Gas aufgrund polytroper Expansion ab, womit auf eine zusätzliche Kühlung verzichtet werden kann. Bei Verwendung eines elektrisch betriebenen Kompressors ist es möglich, Leckverluste während längerer Stillstandzeiten auszugleichen, wobei das Bordnetz entsprechend ausgelegt sein muß. Somit steht bereits beim Kaltstart genügend Gasdruck zur Verfügung. Durch die jederzeit abrufbare, stoßhaft zur Verfügung stehende Gasmenge ist mit einem günstigen Emissionsverhalten zu rechnen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Gas Luft verwendet. Durch eine hohe Wärmekapazität des Druckgefäßes und eine längere Verweildauer des Gases in diesem Gefäß wird die durch die Kompression erzeugte Wärme abgeführt. Die Wärmeabfuhr kann durch Kühlung des Behälters verbessert werden.

Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anlage nach Anspruch 1 werden in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1: eine perspektifische Schemazeichnung eines Verbrennungsmotors in V-Anordnung mit dazwischenliegendem Druckbehälter

Fig. 2: eine Seitenansicht eines Verbrennungsmotors in V-Anordnung mit dazwischenliegendem Druckbehälter

Fig. 3: eine Schemaskizze der Anlage als Signal- und Stoffflussplan.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Bauform der erfindungsgemäßen Druckversorgung. Schematisch ist ein Verbrennungsmotor (1) mit zwei Zylinderbänken (2) in V-Anordnung dargestellt. Zwischen den Zylinderbänken befindet sich der Luftsammler (8) durch welchen auch die durch den Lufteinlaß (9) einströmende Ladeluft vom standardmäßig vorgesehenen Lader kommend an die einzelnen Zylinder verteilt wird. Ein Elektromotor (3) treibt einen Kompressor (4) an. Die komprimierte Luft strömt durch ein Einströmventil (5) in den Druckbehälter (6). Am anderen Ende des Druckbehälters (6) befindet sich ein vorzugsweise regelbares Ventil (7), durch welches die komprimierte Luft in den Sammler strömt.

Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Druckversorgung.

Fig. 3 zeigt die sinnbildliche Darstellung einer bevorzugten Bauform der erfindungsgemäßen Druckversorgung. Das System enthält einen Verbrennungsmotor (1) mit einem Abgassammler (11), aus dem das Abgas in den Abgasturbolader (12) strömt, und einen Luftsammler (8) mit Lufteinlaß (9). In den Luftsammler strömt das Gas vom standardmäßig vorgesehenen Abgasturbolader (12) durch ein Rückschlagventil (10) sowie aus dem Druckspeicher (6) durch ein vorzugsweise regelbares Ventil (7). In den Druckspeicher (6) gelangt das Gas von einem vorzugsweise von einem Elektromotor (3) angetriebenen Kompressor (4) durch das Einströmventil (5). In Abhängigkeit der Betriebszustände von Verbrennungsmotor (1), Druckbehälter (6) und optional Ventil (7) werden der Elektromotor (3), das Einströmventil (5) und das Ventil (7) von der Steuerung (13) gesteuert bzw. geregelt.

Claims (17)

1. Anlage zur Aufladung von Verbrennungsmotoren außerhalb des optimalen Arbeitsbereichs des zur Aufladung vorgesehenen Laders, bestehend aus (a) einem Druckgefäß (b) einem Ventil und (c) einem Druckerzeuger, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe des Druckerzeuger in weiten Bereichen kontinuierlich Gas in den Druckbehälter gefördert wird, wodurch ein Überdruck im Druckgefäß entsteht, welcher mit Hilfe des Ventils jederzeit dazu genutzt werden kann, Gas in die Brennräume des Verbrennungsmotors zu fördern.

2. Anlage nach Anspruch 1, bei der als Gas Luft verwendet wird.

3. Anlage nach Anspruch 1, bei dem das Druckgefäß mit einem mechanisch an die Kurbelwelle oder an einen der Nebenantriebe, z. B. die Nockenwelle, gekoppelten Kompressor mit Druck versorgt wird.

4. Anlage nach Anspruch 1, bei dem das Druckgefäß mit einem elektrisch betriebenen Kompressor mit Druck versorgt wird.

5. Anlage nach Anspruch 1, bei dem als Druckversorgung der Druckerzeuger des Bremsluftsystems verwendet wird.

6. Anlage nach Anspruch 1 und 5, bei dem als Druckgefäß der Druckbehälter des Bremsluftsystems verwendet wird.

7. Anlage nach Anspruch 1 und 2, bei dem mit dem komprimierten Gas die Turbine des zur Aufladung vorgesehenen Laders beaufschlagt und angetrieben wird.

8. Anlage nach Anspruch 1 und 2, bei dem mit der komprimierten Luft die Turbine eines eigens vorgesehenen Laders beaufschlagt und angetrieben wird.

9. Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 8, bei dem als Ventil ein Regelventil verwendet wird.

10. Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 9, bei dem für jeden einzelnen Zylinder des Verbrennungsmotors ein eigenes Druckgefäß mit Ventil zur Verfügung steht.

11. Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 10, bei der sich im Ansaugtrakt des Motors ein Rückschlagventil oder eine Rückschlagklappe befindet, mit welcher verhindert wird, daß das aus dem Druckgefäß ausströmende Gas von den Brennräumen weg abströmt.

12. Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 11, bei dem die Einspeisung des aus dem Behälter ausströmenden Gases zwischen dem Kompressor des Laders und den Brennräumen erfolgt.

13. Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 11, bei dem die Einspeisung des aus dem Behälter ausströmenden Gases bereits vor dem Lader erfolgt.

14. Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 11, bei dem die Einspeisung des aus dem Behälter ausströmenden Gases direkt in den Brennraum erfolgt.

15. Anlage nach Anspruch 14, bei dem die Einströmstelle am jeweiligen Brennraum mit einem Ventil versehen ist.

16. Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 15, bei dem das Druckgefäß mit Kühlrippen versehen ist.

17. Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 16, bei dem das Druckgefäß aktiv gekühlt wird.